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智能视频分析技术在文物安全防范中的应用
2018/6/29 9:44:00   安防知识网   王永升 夏宇   关键字:智能视频分析,文物安全防范,应用      浏览量:
面对日益繁重的文物保护任务和高标准的保护要求,采用成熟的智能视频分析技术和设备,利用智能视频安防监控系统主动性防范功能,实现事前智能预警、事中联动处置、事后高清取证的防范效果,发挥科技创新的引领作用,提高文物安全防范的科技含量和装备水平,是现代信息技术条件下文物安全防范的必由之路。

  文物安全是文物工作的底线、红线和生命线。文化部、国家文物局推进的第三次全国文物普查和第一次全国可移动文物普查过程中,共普查登记不可移动文物76.7万处、国有可移动文物1.08亿件(套)。近年来,在党中央、国务院的高度重视下,各级文物行政部门坚持“保护为主、抢救第一、合理利用、加强管理”的文物工作方针,按照《国务院关于进一步加强文物工作的指导意见》(国发〔2016〕17号)和《国务院办公厅关于进一步加强文物安全工作的实施意见》(国办 发〔2017〕81号)要求,实施文物平安工程,文物保护基础工作不断夯实,保护经费和保护力量持续增长,文物保护状况明显改善。但随着经济社会快速发展,文物安全形势依然严峻,盗窃盗掘等文物犯罪屡打不止,一些地方不可移动文物遭受破坏严重,文物建筑火灾事故多发,文物工作面临着一些新的问题和困难。据国家文物局统计,2016年度各级文物行政部门督察督办或者配合相关部门处置文物安全案件(事故)137起。其中,盗掘古文化遗址古墓葬案件103起,盗窃、抢劫文物案件12起,故意或者过失损毁文物案件2起,失职造成珍贵文物损毁流失1起,文物火灾事故14起,其他文物安全事故5起。

  面对日益繁重的文物保护任务和高标准的保护要求,采用成熟的智能视频分析技术和设备,利用智能视频安防监控系统主动性防范功能,实现事前智能预警、事中联动处置、事后高清取证的防范效果,发挥科技创新的引领作用,提高文物安全防范的科技含量和装备水平,是现代信息技术条件下文物安全防范的必由之路。

  智能视频分析原理及实现方法

  智能视频分析(IVA:Intelligent Video Analytics)是使用计算机图像视觉分析技术,通过对监控场景的视频图像内容进行分析、识别或优化,提取场景中的关键信息,产生高层的语义理解,并形成相应事件和告警的监控方式。基于计算机视觉的智能视频分析融合了图像处理、模式识别、人工智能、自动控制及计算机科学等多个学科领域的技术,可以通过在摄像机监控场景中预设的不同报警规则,从监控画面中分离出背景和对象,针对“条件、对象、事件”进行判断,一旦目标在场景中出现了违反预定义规则的行为,系统会自动发出报警,驱动本地报警设备向后端监控中心发送报警数据。监控工作站自动弹出报警信息并发出警示音,用户可以通过点击报警信息,实现报警时监控场景的复核并采取相应处置措施。

  智能视频监控技术借助于处理器芯片的强大计算功能,对视频画面中的海量数据进行高速分析,过滤掉用户不关心的信息,为监控者提供有用的关键信息。与传统视频监控系统相比,智能视频监控系统能从原始视频中分析挖掘出有价值的信息,变人工伺服为主动识别,变事后查证为事前预警、事中分析,能将安保值班人员从低效紧盯屏幕的繁重劳动中解脱出来,极大地提高了安全防范工作的主动性和智能化程度。

  目前,广泛应用的智能视频分析技术基本分为四大类:视频分析类、视频识别类、视频诊断类和视频改善类。

  视频分析类主要是在监控图像中找出目标,并检测目标的运动特征属性,如目标相对的像素点位置、目标的移动方向及相对像素点移动速度、目标本身在画面中的形状及其改变等。常用的视频分析类功能模块包括:越界侦测、目标移动方向侦测、目标运动/停止状态侦测、目标出现/消失侦测、目标密度侦测、人/车流量统计、徘徊侦测、尾随侦测、PTZ自动追踪、感烟/感温/火焰等火灾探测等。

  视频识别类主要是采用图像识别、图像比对及模式匹配等技术,通过对人、车、物等目标相关特征信息的提取与分析,将目标特征信息与数据库中已有特征信息进行比较,根据相似程度对人、车、物等目标的身份信息进行判断。常用的视频识别类功能模块包括:人脸识别、车辆特征识别等。

  视频诊断类主要是针对视频图像出现的信号丢失、图像模糊、图像过亮、图像过暗、图像偏色、画面冻结、云台失控、噪声干扰、条纹干扰、视频遮挡等前端摄像机故障、视频信号干扰、视频质量下降等进行监测、分析、判断和报警,保障视频监控系统有效运行。视频质量诊断功能通常通过后端管理平台实现,在视频监控系统日常使用和运行维护中的作用十分明显。

  视频改善类主要是将模糊不清或抖动严重的监控画面进行优化处理,以增加视频的可监控性能。常用的视频改善类功能模块包括:低照度图像增强、失焦图像复原、雨雪雾等恶劣天气图像增强、人脸超分辨率重建、车牌超分辨率重建、高速运动目标图像复原、视频稳像等。

  智能视频分析常用的实现方式包括前端分布式智能分析、后端集中式智能分析或二者的组合应用。前端分布式智能分析是将智能分析算法内嵌于前端摄像机DSP或类似嵌入式系统中,前端摄像机采集视频图像的同时,完成相关的智能分析功能,并向后端监控中心传送监控图像和智能分析结果;后端集中式智能分析是智能分析功能由后端监控中心服务器(含智能分析软件)统一完成,前端摄像机仅采集、传送监控图像。随着视频安防监控相关软硬件技术的不断发展,目前大部分主流厂商已将越界侦测、区域入侵、人员聚集、物品遗留/拿取等侦测功能以及车牌识别、过线计数等功能内置于前端智能摄像机,一定程度上减少了后端硬件设备的投资。对于业务应用要求高、需要复杂分析算法实现的智能分析功能,可采用前端分布式和后端集中式智能分析相结合的方式实现。

  智能视频分析技术在文物安全防范中的应用

  文物按存在形态分类,一般分为可移动文物和不可移动文物。可移动文物主要指馆藏文物和流散文物,包括石器、陶器、铜器、金银器、瓷器、漆器、玉器、书画、古文献等。不可移动文物基本上都是文物史迹,包括古建筑、石窟寺、石刻、古遗址、古墓葬、纪念建筑、近代现代重要建筑等。智能视频分析技术在文物安全防范领域主要应用在周界防护、藏品/展品及不可移动文物保护、安全管理、系统智能运维等方面。

  周界防护

  周界是指需要进行实体防范或/和技术防范的某个区域的边界。多数博物馆外周界直接与纷繁复杂的周边环境毗邻,新建博物馆在规划建设时又大多采用通透式、开放式设计,而古遗址、古墓葬等由于保护范围面积巨大,更是难以建设完整的实体防护设施,在博物馆和文物保护单位周界防护方面,人防和物防的难度相对较大。因此,结合博物馆和文物保护单位的周界情况和展陈特点,采用成熟的智能视频分析技术进行周界防护,是完善纵深防护体系、感知风险事件的前沿保障。用于周界防护的智能视频分析技术主要包括越界侦测、人脸识别、车辆特征识别等。

  越界侦测是通过对监控图像序列的处理和分析,识别目标的越界行为,并对潜在的危险行为进行报警。实际应用中,在博物馆、文物保护单位和考古发掘现场等外周界、重要区域周界安装具有智能分析功能的视频监控装置,用户根据安全防范需求,在视频图像中划定双向或单向绊线,当系统检测到有运动目标跨越绊线时,自动发出越界报警,直观地提示安全保卫人员及时处置。

  人脸识别是基于人的脸部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术,系统通过人脸图像采集及检测、人脸图像预处理、人脸图像特征提取以及匹配与识别,实现远距离、用户非配合状态下的快速身份识别。实际应用中,在博物馆和文物保护单位周界出入口安装视频监控装置,系统通过采集、分析、鉴别出入人员人脸图像信息进行身份识别,确定人员的通行权限,并为检索查证提供便利。通常情况下,人脸识别系统需与出入口控制执行装置(电控锁、速通门等)配合使用,实现对人员出入的有序管理。

  车辆特征识别是计算机视频图像识别技术在车辆信息识别中的一种应用,能够将识别区域内运动中的车辆信息从复杂背景中提取出来,通过车辆信息提取、图像预处理、特征提取、车牌识别等技术,进行车辆牌照、车身颜色、车型、车款、车标等车辆特征识别。实际应用中,在博物馆和文物保护单位周界出入口安装视频监控装置,系统通过采集、分析、识别出入车辆特征信息,确定车辆的通行权限,并为检索查证提供便利。通常情况下,车辆特征识别系统需与出入口控制执行装置(栏杆机、车辆路障等)配合使用,实现对车辆出入的有序管理。

  藏品/展品及不可移动文物保护

  在博物馆和文物保护单位安全防范工作中,藏品/展品及不可移动文物的保护是重中之重,充分运用智能视频技术加强文物库房、陈列展品和重要目标的防护,是确保文物安全的现实要求,也是阻止违法犯罪的重要手段。用于藏品/展品及不可移动文物安全防护的智能视频分析技术主要包括人脸识别、区域入侵侦测、物品拿取侦测等。

  在文物库区/库房出入口安装视频监控装置,利用人脸识别技术非强制性、非接触性及良好的防伪、反欺诈、准确、可靠、直观、方便等特点,实现人脸图像采集、识别、比对、身份确认和安全验证,可有效避免传统出入口控制技术中密码易被泄露盗用、指纹易被复制拒识、卡片易被窃取冒用等风险。

  在文物库区、展厅、藏品/展品卸运交接区及重要不可移动文物保护区域等处安装视频监控装置,采用区域入侵侦测技术,侦测视频中是否有物体进入防护区域,根据判断结果发出报警信息,可直观、及时、有效地发现重要保护区域中出现的异常情况,提高安全保卫人员的处置效率,增强藏品/展品及不可移动文物防盗窃、防抢劫、防破坏的效能。

  对于特别重要的藏品/展品,还可以采用物品拿取侦测技术,用于检测所设置的特定区域内是否有物品被拿取,当发现有物品被拿取时,系统会根据判断结果及时发出报警信息,安全保卫人员针对意外情况快速采取措施,最大程度地降低损失。

  安全管理

  安全管理是博物馆和文物保护单位日常工作的重要组成部分,在信息化条件下,运用智能视频分析技术实现人、车、物、环境的动态管理,是保证文物处于最佳安全状态的根本环节。用于博物馆和文物保护单位安全管理的智能视频分析技术主要包括人/车流量检测与统计、物品遗留侦测、徘徊侦测、人员聚集检测、人群异常行为检测及智能视频火灾探测等。

  人/车流量检测与统计是指对过往人员和车辆进行智能识别、分析、统计的功能,当人员或车辆通过划定的界线、进入划定的区域时,触发自动识别、自动记录和自动统计,当人员数量或车辆数量达到设定的阈值时,系统会触发报警。实际应用中,在博物馆和文物保护单位、陈列展区或参观景区的观众/车辆主要出入口安装视频监控装置,在视频图像中划定检测界线或区域,进出的人员/车辆通过时,触发前端摄像机的记录和识别功能,对进入或离开该区域的人/车数量进行实时记录和汇总。当进入该区域的人数达到设定的上限时,触发报警功能,方便安全保卫人员有效地控制进入参观区域的人员/车辆数量,避免参观区域超负荷运转。同时,通过对人/车流量检测与统计数据的分析,还可以为文博展陈设计、应急预案制定、交通出行优化及资源合理利用等提供科学的依据。

  物品遗留侦测技术用于检测所设置的特定区域内是否有物品遗留,当发现有物品遗留时,系统会触发报警。实际应用中,在博物馆和文物保护单位的公众服务区、陈列展览区及其他重要区域安装视频监控装置,在视频图像中划定检测区域,当有满足预设尺寸范围的物品被遗留在检测区域内并停留时间达到预设阈值时,系统自动触发报警,并在视频图像中物品停放位置产生告警提示框,直观地提醒安全保卫人员注意有异常物品遗留。

  徘徊侦测技术用于实时侦测、分析目标在设定区域内的活动情况,并对超过设定时间阈值的徘徊、滞留等异常行为发出报警。实际应用中,在博物馆、文物保护单位和考古发掘现场等外周界、重要区域周界安装具有智能分析功能的视频监控装置,实时分析监控区域内目标的徘徊、滞留情况,及时发出异常行为预警,提醒安全保卫人员关注和处置。

  人员聚集检测技术用于实时监测设定区域内人员的密度,并对人员密集程度超过设定的阈值的情况发出报警。实际应用中,在博物馆和文物保护单位的出入口、公众服务区、陈列展览区及其他重要区域安装视频监控装置,实时监测人员进出和活动情况,发生人员聚集情况及时进行预警提示,有效控制全局人数、疏导局部人流、维护参观秩序、预防**件发生。

  人群异常行为检测技术用于对监控图像中人员突然加速、快速移动、人群骚乱等反常行为进行实时监测并发出报警。实际应用中,在博物馆和文物保护单位的出入口、公众服务区、陈列展览区及其他重要区域安装视频监控装置,及时发现人群异常行为并预警,以便安全保卫人员及时调度处置,控制突发事件的进一步恶化。

  智能视频火灾探测技术是在背景建立、更新及前景提取的基础上,对视频序列的分析和处理,自动检测监控场景中是否存在烟雾或火焰,并计算起火点的位置。智能视频分析技术在消防领域的产品形态统称为图像型火灾探测器,按探测原理可分为图像型感烟火灾探测器、图像型火焰火灾探测器等,采用视频图像方式分析燃烧或加热过程中产生的烟雾/火焰,进行火灾探测报警。实际应用中,在博物馆和文物保护单位室内高大空间及古建筑、文物保护范围内林木茂密区周边安装视频监控装置,通过采集近红外图像和可见光图像,利用智能视频分析对烟雾、火焰的颜色、形状、纹理、变化趋势、边缘特性、频率特性等进行分析判断,实现烟雾和火焰实时探测、火灾早期预警、直观展示火场信息、准确定位起火点位置等功能,对于预防电气类热灾害、人为意外性热灾害及自然灾害、迅速启动应急预案、及时控制火情具有重要的作用。

  系统智能运维

  随着博物馆和文物保护单位安全防范系统建设的不断完善,大量视频监控设备的应用在提升技防效能的同时,也给系统的运行维护带来了巨大的压力,传统的依靠人工评测的方式对图像质量进行遍历巡检已经远不能满足高清数字化视频监控系统应用和维护的需要。采用智能视频诊断技术,通过对摄像机拍录的图像序列进行自动分析,对前端摄像机故障、视频信号干扰、视频质量下降、视频遮挡、场景变更等进行监测、分析、判断和报警,结合视频质量诊断系统的设备管理、任务管理、质量诊断管理、检查结果管理、维修管理、统计分析管理等功能,帮助运维人员实时掌握视频监控设备的运行情况,及时进行设备维修保养,实现视频监控系统运行维护的自动化和智能化,提高视频监控系统的运维效率。

  结语

  随着信息时代、人工智能时代的到来,在文物安全防范中将科技作为重要辅助手段已成共识,智能视频分析技术的应用为充分发挥视频监控系统效能、有效提升文物安全管理水平提供了更多可能。智能视频分析应用是一个覆盖广泛的系统性工程,涉及图像处理、计算机视觉、模式识别、人工智能、通信和网络等诸多技术领域,在博物馆、文物保护单位和考古发掘现场等实际应用场所,需根据建筑形态、文物种类、风险等级、管理模式等因素,结合人防和物防条件,采用与保护对象风险等级相适应的智能视频分析技术和装备,进一步推动文物安全保护与现代科技融合创新,拓展智能视频分析技术在文物安全防范中的应用广度和深度,为宝贵文化遗产保护、中华优秀文化传承提供技术支撑。

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